基于流場數(shù)值模擬的環(huán)隙型空氣引射器參數(shù)設(shè)計(jì)

徐延鵬 夏志強(qiáng) 楊蕾

摘 要：環(huán)隙型空氣引射器是利用一定壓力的壓縮空氣從環(huán)隙中高速噴出，帶動(dòng)環(huán)隙出口處的空氣向出口處流動(dòng)， 從而將吸入口周圍的空氣吸入引射器的設(shè)備。文章利用CFX流體力學(xué)計(jì)算軟件，采用k-ε雙方程模型，對引射器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。按照吸入流量的要求，確定合理的引射器結(jié)構(gòu)，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)性角度，提出合理的供氣壓力條件。

關(guān)鍵詞：引射器；CFX；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU996 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0018-02

1 概 述

環(huán)隙型空氣引射器是利用一定壓力的壓縮空氣從環(huán)隙中高速噴出，依靠空氣自身的黏性，帶動(dòng)環(huán)隙出口處的空氣向出口處流動(dòng)，從而在引射器吸入口處產(chǎn)生一定的負(fù)壓，將周圍的空氣吸入引射器，并從出口噴出的設(shè)備。利用這一性能，可將環(huán)隙型引射器用于小型固體顆粒的輸送，室內(nèi)受污染空氣的清理，粉塵顆粒物的收集等。

環(huán)隙型空氣引射器工作時(shí)，其內(nèi)部流動(dòng)較為復(fù)雜，對于新開發(fā)的引射器產(chǎn)品，利用傳統(tǒng)手段，從設(shè)計(jì)到形成產(chǎn)品過程中，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)驗(yàn)證才能獲得有效數(shù)據(jù)。而利用流體力學(xué)計(jì)算軟件，可模擬出各種結(jié)構(gòu)的引射器的性能參數(shù)，為后續(xù)試驗(yàn)給出指導(dǎo)性意見，減少試驗(yàn)次數(shù)及成本。

根據(jù)使用要求，需要設(shè)計(jì)一款用于廠房內(nèi)玻璃粉塵顆粒的吸取收集的引射器，其供氣壓力約為0.6 MPa.g，吸入流量不低于51 Nm3/h的空氣，引射器通道內(nèi)徑不低于15 mm，同時(shí)使得供氣量盡量降低。

利用CFX軟件，對多種結(jié)構(gòu)的引射器和供氣壓力進(jìn)行組合模擬分析，確定滿足吸入流量要求，且耗氣量最小的映射器結(jié)構(gòu)和供氣壓力。

2 環(huán)隙型引射器計(jì)算模型

2.1 引射器結(jié)構(gòu)

引射器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包含進(jìn)氣口A，吸氣口B、排氣口C，環(huán)隙入口b和環(huán)隙出口a。

引射器尺寸：總長110 m，入口Aφ8，入口Bφ20，出口Cφ20，環(huán)隙入口b為0.5 mm，環(huán)隙入口a為調(diào)節(jié)尺寸。

通過改變環(huán)隙a的尺寸，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。環(huán)隙a的尺寸分為5組，分別為0.05 mm，0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.4 mm。

2.2 模型的建立和網(wǎng)格劃分

為減少計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存的需求，對引射器進(jìn)行一定的簡化，取引射器的一半進(jìn)行面對稱分析。為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，對環(huán)隙出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格計(jì)算模型，如圖2所示。

3 計(jì)算過程及結(jié)果分析

本文先保證邊界條件不變，對上述5種不同結(jié)構(gòu)的引射器進(jìn)行數(shù)模模擬，確定滿足吸入流量的引射器結(jié)構(gòu)后，再通過改變供氣壓力，確定耗氣量最小，又能滿足吸氣流量要求的供氣壓力值，為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

工作流體和引射流體均為空氣，其密度按理想氣體計(jì)算，粘度采用Sutherland定律。壁面條件采用無滑移、無滲透、絕熱邊界，內(nèi)壁粗糙度的3.2 μm，控制方程采用k-ε雙方程模型。

3.1 不同結(jié)構(gòu)的引射器計(jì)算

3.1.1 邊界條件

對5種不同結(jié)構(gòu)的引射器，采用的邊界條件參數(shù)：

入口A：邊界類型為Inlet，壓力邊界條件Static Pressure

0.6 MPa，溫度邊界條件Static Temperature 20 ℃。

入口B：邊界類型為Inlet，壓力邊界條件Total Pressure 0.1 MPa，溫度邊界條件Static Temperature 20 ℃。

出口C：邊界類型為Oulet，壓力邊界條件Average Static Pressure 0.1 MPa。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在邊界條件不變的情況下，5組不同環(huán)隙a值下的供氣量與吸氣量計(jì)算結(jié)果，見表1。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在保持邊界條件不變的情況下， 當(dāng)環(huán)隙a值大于0.1 mm時(shí)，即可滿足進(jìn)氣口吸氣量的要求。

隨著環(huán)隙a值的增大，供氣量增大，吸氣量也在增大，但吸氣量增大的效果降低。

3.2 環(huán)隙a為0.1 mm引射器計(jì)算

從上面計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)環(huán)隙a為0.1 mm時(shí)，即可滿足吸氣流量的要求?，F(xiàn)取環(huán)隙為0.1 mm的引射器為研究對象，確定滿足吸氣流量條件下的供氣壓力和耗氣量。

3.2.1 邊界條件

對環(huán)隙為0.1 mm的引射器，保持入口A、入口B和出口C的邊界類型與2.1.1一致，且入口B和出口C的邊界條件不變，僅改變?nèi)肟贏的壓力邊界條件進(jìn)行模擬，計(jì)算不同壓力下的供氣量和吸氣量的數(shù)值。

入口A的供氣壓力分為5組，分別為Static Pressure ：0.6 MPa，0.5 MPa，0.4 MPa，0.3 MPa和0.2 MPa。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在引射器結(jié)構(gòu)不變的情況下，5組不同供氣邊界條件下的供氣量與吸氣量計(jì)算結(jié)果，見表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，對于環(huán)隙a值為0.1 mm的引射器，當(dāng)供氣壓力值大于0.5 MPa時(shí)，即可滿足進(jìn)氣口吸氣量的要求。

3.3 確定結(jié)構(gòu)及供氣壓力的引射器計(jì)算結(jié)果

通過上述分析，確定環(huán)隙a為0.1 mm的引射器為理想設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，供氣壓力為0.5 MPa為經(jīng)濟(jì)供氣條件，其模擬計(jì)算結(jié)果：入口A平均壓強(qiáng)500 000 Pa，入口B平均壓強(qiáng)98 122.6 Pa，出口C平均壓強(qiáng)99 996.7 Pa。

入口A平均速度6.6 m/s，入口B平均速度56.1m/s，出口C平均速度83.9 m/s，環(huán)隙出口處的速度達(dá)到434 m/s。

4 結(jié) 語

通過應(yīng)用流體力學(xué)計(jì)算軟件模擬分析，確定環(huán)隙引射器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，并計(jì)算出合理的供氣壓力條件，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的指導(dǎo)，節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間成本、材料成本和試驗(yàn)成本，是一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)：

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